基于MRA的椎動脈瘤血流動力學(xué)仿真分析

陳曉琴，陳廣新，張海峰，黃偉

牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011

0 引言

椎動脈瘤是椎動脈管壁局部發(fā)生病理性改變及異常管腔擴(kuò)張導(dǎo)致的瘤樣形成，較多發(fā)且損傷程度嚴(yán)重，多見于血管壁變薄伴形態(tài)異常[1]。椎動脈瘤破裂時會造成蛛網(wǎng)膜下腔出血，致死率較高，若初次出血未引起重視且未采取及時有效治療措施，一般三周內(nèi)部分患者將發(fā)生再次出血，極大提高該病致殘率與死亡率；除此之外，小部分患者存活后因腦血管痙攣等伴隨改變影響神經(jīng)、語言及運(yùn)動等基本功能，生活質(zhì)量明顯降低[2-3]。椎動脈瘤未破裂時，若瘤體體積較小，患者無明顯表現(xiàn)，隨瘤體體積增大，對周圍血管及腦實(shí)質(zhì)出現(xiàn)推移擠壓侵襲等情況，此時患者可出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)等相關(guān)癥狀，如頭暈頭痛等。目前動脈瘤產(chǎn)生的確切機(jī)制尚不清楚，主要分為血管、后天環(huán)境及血流動力學(xué)三方面因素[4]。血管方面，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為動脈瘤形成多與血管本身管壁組成層次及血管壁相關(guān)功能有關(guān)，如椎動脈管壁內(nèi)膜組成部分較薄，其厚度為顱外相同直徑血管的2/3[5]。后天環(huán)境因素多與動脈粥樣硬化、感染、創(chuàng)傷及炎癥有關(guān)，血管管道閉塞、血栓形成或栓塞、手術(shù)等其他情況造成的顱腦異常損傷及機(jī)體本身免疫保護(hù)機(jī)制下血管壁的部分破壞改變，這些情況導(dǎo)致動脈管壁結(jié)構(gòu)不完整及形態(tài)改變，形成異常瘤樣擴(kuò)張，最終發(fā)生發(fā)展為不完全及完全破裂[6]。血流動力學(xué)方面，如血流速度流線、壁面切應(yīng)力（wall shear stress,WSS）、震蕩剪切系數(shù)（oscillatory shear stress,OSI）,梯度震蕩數(shù)值（gradient oscillatory number,GON）等能具體描述血管內(nèi)部血流情況，更為直接與清晰，并且無創(chuàng)，在原有掃描層面上進(jìn)行后處理操作分析[7]。

本文以真實(shí)患者椎動脈MRA掃描圖像為基礎(chǔ)，重建椎動脈個體化血管模型，應(yīng)用數(shù)值模擬對椎動脈瘤患者模型進(jìn)行血流動力學(xué)參數(shù)分析，采用各種后處理軟件繼續(xù)提取真實(shí)患者的椎動脈瘤患者的血流動力學(xué)特征，預(yù)測、分析動脈瘤形成的危險因素。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

采集2016年10月-2021年10月牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院放射科20例左側(cè)椎動脈瘤及20例正常椎動脈患者M(jìn)RA圖像數(shù)據(jù)與臨床報告數(shù)據(jù)，診斷結(jié)果經(jīng)兩名診斷醫(yī)師復(fù)核。所有患者或患者授權(quán)委托人均經(jīng)倫理委員會審查及簽署知情同意書。

1.2 椎動脈模型的三維重建

將醫(yī)院系統(tǒng)DICOM格式數(shù)據(jù)分類處理，導(dǎo)入MIMICS軟件（比利時，Materialise公司）進(jìn)行初步模型處理工作，采用閾值分割，對椎動脈血管模型進(jìn)行裁剪，利用原始圖像數(shù)據(jù)灰度值不同的特點(diǎn)將椎動脈血管與其他顱內(nèi)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，得到感興趣區(qū)域，初步獲得粗糙血管模型，通過三維計算等算法模式創(chuàng)建椎動脈三維模型，導(dǎo)入3-MATIC軟件（比利時，Materialise公司）中進(jìn)行多余血管去除，對粗糙血管模型進(jìn)行適度光滑，并對血管出入口平面進(jìn)行裁剪處理，以STL格式進(jìn)行導(dǎo)出，為后續(xù)網(wǎng)格劃分進(jìn)行準(zhǔn)備。

1.3 模型網(wǎng)格劃分

將椎動脈STL文件格式導(dǎo)入ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美國）軟件，為保證最終結(jié)果準(zhǔn)確度，對模型均采取6層邊界加密處理，定義兩個入口、四個出口及血管壁，先后進(jìn)行模型面及體網(wǎng)格的劃分，給定后續(xù)邊界條件設(shè)定，并且也有利于后處理分析計算。

1.4 設(shè)定邊界條件及血流數(shù)值模擬

常規(guī)情況下，心動周期內(nèi)不同時刻血管內(nèi)部的血流速度及血管壁受到的管壁壓力均不同，故本次實(shí)驗(yàn)采用速度入口及壓強(qiáng)出口，同時假定血管管壁材料屬性為剛性，血管本身無外滲，血管內(nèi)部血液設(shè)定屬性為牛頓液體，暫不考慮能量傳遞情況[2]。入口速度曲線如圖1，出口壓強(qiáng)情況如圖2。為使計算結(jié)果為收斂狀態(tài)，本次實(shí)驗(yàn)計算三個心動周期，取最后一個計算周期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

圖1 速度入口曲線

圖2 壓強(qiáng)出口曲線

1.5 數(shù)值模擬結(jié)果參數(shù)選取

本文選取血流速度流線、WSS、OSI及GON四項(xiàng)血流動力學(xué)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行描述分析。

2 結(jié)果

2.1 血流速度流線圖

如圖3所示，椎動脈瘤組整體血流速度較正常組稍低。椎動脈瘤組左側(cè)椎動脈血流速度較右側(cè)稍低，且瘤體處可見血流流入，呈渦流改變，右側(cè)椎動脈近基底動脈匯合處血流速度增高?；讋用}段血流紊亂，血流速度值波動范圍較大，呈持續(xù)渦流前進(jìn)。正常椎動脈組血流平穩(wěn)，表現(xiàn)為均勻?qū)恿鳡顟B(tài)，未見明顯紊亂及渦流等血流異常情況。

圖3 血流速度圖

2.2 血管壁剪切應(yīng)力圖

如圖4所示，椎動脈瘤組動脈瘤瘤處表現(xiàn)為較低WSS值，且在右側(cè)椎動脈段可見高低WSS值間斷式分布，以近匯合處明顯。正常椎動脈組WSS值均無較大波動，且各血管區(qū)域WSS值在正常范圍內(nèi)，未見異常增大或減小區(qū)域。

圖4 血管壁剪切應(yīng)力圖

2.3 震蕩指數(shù)圖

如圖5所示，椎動脈瘤組雙側(cè)椎動脈均可見部分較高OSI值，且動脈瘤處可見片狀增高區(qū)域，雙側(cè)椎動脈匯合處及基底動脈段均可見部分高OSI區(qū)域。正常椎動脈組OSI值均位于較低范圍，在基底動脈匯合處表現(xiàn)出點(diǎn)片狀高OSI值。

圖5 切應(yīng)力震蕩指數(shù)圖

2.4 梯度震蕩數(shù)值圖

如圖6所示，椎動脈瘤組與正常椎動脈組在基底動脈段均表現(xiàn)為波動高GON值。正常椎動脈組余區(qū)域均較椎動脈瘤組數(shù)值低，動脈瘤組左側(cè)椎動脈呈現(xiàn)為小片狀高GON值區(qū)域，以瘤體附件及瘤體本身最突出，且在雙側(cè)椎基底動脈匯合處即分叉處表現(xiàn)為高GON。

圖6 梯度震蕩數(shù)值圖

3 討論

3.1 不同椎動脈組血流速度流線結(jié)果比較

血流正常狀態(tài)為均勻?qū)恿?，?dāng)該狀態(tài)被破壞時，產(chǎn)生高速或極低速血流，將會對血管壁造成不同程度的損傷，以血管分叉處最明顯[8]。當(dāng)血流狀態(tài)紊亂時，血液中的血管破壞因子將被運(yùn)送至血管壁邊緣，與管壁成分進(jìn)行摩擦接觸，對管壁進(jìn)行損傷。當(dāng)血管壁破損后，將極大促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生，造成惡性循環(huán)[9-10]。如圖3所示，動脈瘤體較對照組表現(xiàn)為血流紊亂伴血流速度緩慢瘀滯，且雙側(cè)椎動脈血流速度相差較大，為速度不對等表現(xiàn)，這可能是造成產(chǎn)生的原因，異常狀態(tài)血流持續(xù)對血管壁進(jìn)行撞擊，極大促進(jìn)動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展及動脈管壁損傷。

3.2 不同椎動脈組血管壁剪切應(yīng)力結(jié)果比較

WSS在生物力學(xué)方面可理解成血液在流動過程中對血管壁的摩擦力，其數(shù)值與接觸兩物體之間速度差異密切相關(guān)，多為正比關(guān)系。目前認(rèn)為較小的WSS值與內(nèi)皮細(xì)胞的炎性改變及后續(xù)血小板的沉積有關(guān)[11-12]。如圖4所示，動脈瘤及瘤體周圍血管較對照組均表現(xiàn)為較低的WSS值，表示瘤體本身及鄰近血管內(nèi)部血液流動慢，速度強(qiáng)度低，更有利于紅細(xì)胞、血小板等成分由血流中心向血管壁邊緣層面流動，使動脈瘤壁附著部分血管壁損傷因子，造成管壁組織受損，最終喪失管壁正常功能。

3.3 不同椎動脈組振蕩剪切指數(shù)結(jié)果比較

OSI描述的是血流方向隨時間變化的情況，多用來衡量WSS方向變動情況[13]。OSI數(shù)值范圍多在0～1之間波動，當(dāng)OSI為0時即該心動周期內(nèi)血流流動方向穩(wěn)定且未見異常情況發(fā)生，當(dāng)OSI數(shù)值為1時即血流方向紊亂，甚至出現(xiàn)湍流反流等情況[14-15]。由圖5可知，動脈瘤即瘤底區(qū)域較對照組OSI數(shù)值較高，表明該區(qū)域的血流波動較大，血流情況不穩(wěn)定，易導(dǎo)致血管損傷因子產(chǎn)生，且對瘤體血管沖擊極大，增大動脈瘤破裂風(fēng)險。

3.4 不同椎動脈組梯度振蕩數(shù)值結(jié)果比較

GON表示血液流動過程中震蕩及壓縮的情況，為目前心動周期內(nèi)血液與內(nèi)皮細(xì)胞的作用程度[16-17]。血管壁具有高GON值時代表此區(qū)域內(nèi)血流流動角度的改變，多與入射角度有關(guān)[18-19]。如圖6所示，動脈瘤體及左側(cè)椎動脈較對照組均表現(xiàn)為高GON值，表示該區(qū)域具有較大程度的血流震蕩情況及血管壓縮改變，渦流血流進(jìn)入動脈瘤后對瘤體內(nèi)部進(jìn)行撞擊，造成局部血管壁異常壓力改變，最終使瘤體產(chǎn)生擴(kuò)張膨脹。

4 結(jié)論

（1）以MRA圖像為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬技術(shù)可以重建個體化椎動脈血流動力學(xué)模型，可預(yù)測、分析動脈瘤病變形成危險因素；

（2）椎動脈瘤形成可能與低速湍流、低WSS、高OSI及高GON有關(guān)。

5 局限性與不足

本文以真實(shí)患者圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行模型重建，在具有真實(shí)性基礎(chǔ)上使得個體化差異較大，因此需大樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理，而本文收集樣本數(shù)量有限。同時在建模過程中由于瘤體本身情況不同，操作者具有一定主觀性，在處理過程中盡量按照同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理分析，但是對動脈瘤處理情況仍具有細(xì)微差別，故研究具有一定局限性?；谝陨喜蛔?，之后將繼續(xù)擴(kuò)大樣本數(shù)量，同時在臨床醫(yī)生指導(dǎo)下進(jìn)行建模工作，提高結(jié)果準(zhǔn)確度及可信度。